能源互聯(lián)網(wǎng)視角下城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的轉化研究

張有綺 石 晶 劉 毓 唐鉑滔 王 瓊 慕俊強

（國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司）

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通過充分利用新能源、儲能等先進技術，使現(xiàn)有的化石能源系統(tǒng)在供給、消費和管理上都能實現(xiàn)高效和清潔化。作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐，城市配電網(wǎng)（Urban Distribution Network，UDN）是城市中最具多樣性、復雜性、低成本和高效益的一類獨立電力系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)不僅是能量流和信息流的匯聚地，還通過負荷預測、需求側管理等方式影響其他能源系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)在電力供需平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全運行等方面均具有重要意義。然而，城市配電網(wǎng)的復雜特性以及當前城市配電網(wǎng)運行管理方法，在一定程度上制約了其作為城市能源互聯(lián)網(wǎng)核心支撐的作用。隨著智能電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，城市配電網(wǎng)的地位將發(fā)生轉變。在“雙碳”目標下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)需要向可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉變，而城市配電網(wǎng)將成為未來城市電力系統(tǒng)的核心支撐。因此，針對城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉化相關問題及內(nèi)容開展研究具有重要的意義。

1 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的相互轉化機理

能源互聯(lián)網(wǎng)視角下，城市配電網(wǎng)的功能不僅僅是向用戶提供電力，還要參與分布式電源的建設與運行，以及能量綜合管理等功能。因此，城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)的轉化是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。另外，城市配電網(wǎng)作為城市的能源供給端，同時又是能源消費端，它將不同能源系統(tǒng)整合在一起，進行城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的相互轉化，實現(xiàn)多能互補和協(xié)調(diào)控制。城市配電網(wǎng)將電能、熱能和冷能等不同種類的能源進行整合，將城市配電網(wǎng)與其他能源進行轉化，可通過分布式發(fā)電技術實現(xiàn)可再生能源發(fā)電的就地消納；通過交通工具和智能家居等實現(xiàn)可再生能源的就地消納；通過智能家居、智能建筑等實現(xiàn)居民家庭能源供應系統(tǒng)的互聯(lián)互通；可利用分布式發(fā)電技術實現(xiàn)可再生能源的就地消納。

2 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉化形式

2.1 城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)轉化

綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）是一種將各種能源形式在時間和空間上進行優(yōu)化配置的能源系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)作為電力生產(chǎn)和消費的重要環(huán)節(jié)，其功能不僅包括電力供應與需求管理，還包括能源存儲、傳輸、轉換和消費等環(huán)節(jié)。將城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進行有效融合，可實現(xiàn)對不同能源形式的靈活轉換以及不同能源形式間的高效優(yōu)化配置，從而推動城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)轉化。

2.2 城市配電網(wǎng)向可再生能源系統(tǒng)轉化

隨著全球氣候變暖，大量的可再生能源接入配電網(wǎng)，其中風電、太陽能等可再生能源出力具有不確定性和間歇性，無法保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，因此需通過分布式儲能、需求側響應等技術，將可再生能源接入配電網(wǎng)。城市配電網(wǎng)中通常含有大量分布式電源（DG）、儲能裝置（PCS）和電動汽車等，通過控制DG 的出力、PCS 的運行以及電動汽車的充放電策略，將DG 和PCS 的出力及充放電過程合理地轉化為可控的可控負荷，從而實現(xiàn)城市配電網(wǎng)向可再生能源系統(tǒng)的轉化。目前常用的DG 出力優(yōu)化控制方法有基于分布式能源發(fā)電與負荷預測、基于數(shù)據(jù)驅動的負荷預測、基于需求側響應等。

2.3 城市配電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)轉化

儲能系統(tǒng)可顯著提升能源利用效率，是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一。城市配電網(wǎng)具有靈活高效的特性，配電網(wǎng)中分布式可再生能源、儲能設備和負荷等組成的多元智能能源系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多能協(xié)同互補，有效解決可再生能源并網(wǎng)消納問題。為了更好地支撐城市配電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)轉化，可利用微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和儲能設備的互補特性，構建一種新型的微電網(wǎng)運行模式，即采用“微電網(wǎng)-儲能系統(tǒng)-用戶”三層結構，充分發(fā)揮微電網(wǎng)和儲能設備在智能調(diào)度、靈活調(diào)節(jié)、深度調(diào)峰、分散式電力需求響應等方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)城市配電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)轉化。

3 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的多能互補

城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的相互轉化研究主要圍繞如何將可再生能源、儲能、電能等多種能源系統(tǒng)整合在一起，實現(xiàn)多能互補與協(xié)調(diào)控制這一問題展開。在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中，多能互補是指多種能源通過協(xié)同互補達到優(yōu)化運行的目的，它是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐，也是實現(xiàn)能源高效利用和多能協(xié)同互補的關鍵環(huán)節(jié)。多能互補主要包括可再生能源、儲能系統(tǒng)和電能三種。

可再生能源主要包括風力、太陽能和水能等，儲能系統(tǒng)主要包括蓄電池和超級電容器等，電能主要包括電動汽車、智能家電和分布式電源等?？稍偕茉窗l(fā)電具有間歇性和隨機性等特點，而儲能系統(tǒng)具有存儲能量大、響應速度快等優(yōu)點。城市配電網(wǎng)通過分布式電源、儲能系統(tǒng)和電能等多種能源的協(xié)調(diào)互補，可以提高可再生能源的利用效率，降低碳排放量，從而實現(xiàn)能源的高效利用。同時，多能互補可以有效地緩解城市電網(wǎng)負荷高峰時段供電緊張的問題。另外，通過多能互補可以充分發(fā)揮各個利益相關者的優(yōu)勢，實現(xiàn)更高效、更清潔的用能目標。

4 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉化的協(xié)調(diào)控制

城市配電網(wǎng)主要由能量流、信息流和物質(zhì)流組成。能量流是指能量從電力生產(chǎn)端到用電終端的流動過程，是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進行相互轉化的基礎；信息流是指城市配電網(wǎng)內(nèi)部信息的傳遞過程，它能夠實現(xiàn)利益相關者之間信息的共享；城市配電網(wǎng)通過電力生產(chǎn)端到用電終端的流動過程，實現(xiàn)了能量流、信息流和物質(zhì)流的協(xié)同。

通過對城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間能量、信息流和物質(zhì)流的協(xié)同分析，可以發(fā)現(xiàn)：一是隨著城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的多能互補和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)內(nèi)部的能量流和物質(zhì)流也在不斷地發(fā)生變化。二是在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間存在著多種利益相關者，為了實現(xiàn)多能互補和協(xié)調(diào)控制，需要考慮多個利益相關者。因此，在對城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進行轉化時，需要充分考慮不同利益相關者的利益需求。三是由于不同的利益相關者具有不同的經(jīng)濟屬性和價值屬性，在對城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進行轉化時，需要根據(jù)不同利益相關者的價值屬性來進行分配。

4.1 建立能量流、信息流的耦合關系

在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間建立能量流、信息流的耦合關系，首先，需要將城市配電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)和電動汽車納入能源互聯(lián)網(wǎng)體系，因為儲能系統(tǒng)是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的物質(zhì)流轉換的載體，同時電動汽車作為一種新型的能源消費設備，是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間物質(zhì)流轉換的媒介。其次，需要將城市配電網(wǎng)中的能量流和信息流納入能源互聯(lián)網(wǎng)體系，因為城市配電網(wǎng)作為城市能源網(wǎng)絡與其他能源網(wǎng)絡之間的樞紐，其在實現(xiàn)能量流轉換過程中起到了至關重要的作用，同時也是其他能源系統(tǒng)與城市配電網(wǎng)之間物質(zhì)流轉換的媒介。因此將城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間建立能量流、信息流耦合關系需要將城市配電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)、電動汽車以及其他類型的負荷納入到能源互聯(lián)網(wǎng)體系之中。

4.2 實現(xiàn)能量流、信息流和物質(zhì)流的協(xié)調(diào)控制

城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制主要包括能量流、信息流和物質(zhì)流三方面的協(xié)調(diào)控制。首先，城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的能量流、信息流和物質(zhì)流之間建立耦合關系，利用該耦合關系實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，主要包括以下兩個方面：①供需平衡。通過分析城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的能量流和信息流，建立兩者之間的耦合關系，建立城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的供需平衡模型，并根據(jù)該模型實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的供需平衡。②負荷預測。在建立供需平衡模型基礎上，利用該模型實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的負荷預測。同時，利用該模型實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的負荷預測，并通過負荷預測實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。

5 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉化的關鍵問題

5.1 需要考慮利益相關者

為了實現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉化的協(xié)調(diào)控制，需要考慮的利益相關者包括電力生產(chǎn)企業(yè)和電力用戶發(fā)電企業(yè)等。對于交通系統(tǒng)而言，其主要利益相關者為交通工具、電動汽車、智能建筑和公共交通等。對于可再生能源而言，其主要利益相關者為光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電企業(yè)和家庭用戶等。另外，由于城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間存在著多種物質(zhì)流，因此還需要考慮的利益相關者包括可再生能源生產(chǎn)企業(yè)、儲能系統(tǒng)和分布式電源等。為了實現(xiàn)多能互補和協(xié)調(diào)控制，需要考慮的利益相關者還包括用戶、電網(wǎng)公司和能源服務公司等。

（1）電力生產(chǎn)企業(yè)

電力生產(chǎn)企業(yè)是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要利益相關者，其主要利益訴求為：①可再生能源發(fā)電企業(yè)：電力生產(chǎn)企業(yè)的主要職責是根據(jù)其所掌握的各種分布式能源資源，對這些可再生能源進行集成和優(yōu)化控制，以提高其利用效率，降低成本；同時，電力生產(chǎn)企業(yè)還可以將其所擁有的分布式能源資源通過需求側管理（Demand Side Management， DSM）向其他用戶出售電能。②儲能系統(tǒng)：電力生產(chǎn)企業(yè)可以利用其在電力市場中獲得的資金來投資或購買儲能系統(tǒng)，以提高其對可再生能源的利用效率；另外，儲能系統(tǒng)還可以通過自身的能量存儲功能為可再生能源提供調(diào)峰服務。③電能用戶：電力生產(chǎn)企業(yè)通過對分布式能源資源進行集成和優(yōu)化控制，能夠提高其用電效率、降低用電成本；同時，還可以通過對分布式能源資源進行需求側管理，降低其對城市配電網(wǎng)的影響。

（2）電力用戶

電力用戶主要包括居民和商業(yè)用戶。由于居民用戶具有分散、個體化和個性化的特點，因此對于多能互補的需求也相對較高。商業(yè)用戶通常采用可再生能源進行供能，其主要利益相關者是電力生產(chǎn)企業(yè)。在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進行協(xié)同控制時，首先需要將城市配電網(wǎng)中的分布式電源轉換為具有調(diào)節(jié)能力的分布式儲能系統(tǒng)。另外，在不同能源系統(tǒng)之間進行轉換時，還需要考慮其對用戶側的影響，例如，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能設備時，可能會導致用戶側負荷增長、用戶用電成本增加、電能質(zhì)量下降等問題；而在電動汽車充電網(wǎng)絡中引入儲能設備時，則可能會導致用戶側用電成本增加、充電時間延長、充電網(wǎng)絡安全問題等。

5.2 轉化效率

能源互聯(lián)網(wǎng)視角下城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的轉化，除了要考慮利益相關者外，最為重要的是考慮轉化效率。城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉化效率的求解方法主要包括傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃方法和智能優(yōu)化算法兩大類。其中，傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃方法主要包括線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、序列二次規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃等；智能優(yōu)化算法主要包括遺傳算法、蟻群算法、人工免疫算法和神經(jīng)網(wǎng)絡等。在實際應用中，可以根據(jù)具體問題的特點選擇不同的數(shù)學規(guī)劃方法，并將不同的數(shù)學規(guī)劃方法進行有效結合，以建立起更加符合實際應用要求的城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉化效率求解模型，從而為城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉化效率的實時優(yōu)化提供理論依據(jù)。

6 結束語

本文針對能源互聯(lián)網(wǎng)視角下城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的轉化機理和轉化形式進行總結，對城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的多能互補與協(xié)調(diào)控制進行分析，并提出轉化的關鍵問題。以上研究可為解決城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)間相互制約關系和轉化提供新思路，對推動我國城市配電網(wǎng)的發(fā)展具有一定的參考意義。